基于单片机的数字电压表文档格式.docx

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其中，A/D转换采用ADC0808对输入的模拟信号进行转换，控制核心AT89S51再对转换的结果进行运算处理，最后驱动输出装置LED显示数字电压信号。

2总体方案设计

2.1方案论证

方案一：

硬件电路设计由6个部分组成;

A/D转换电路，AT89S51单片机系统，LED显示系统、时钟电路、复位电路以及测量电压输入电路。

硬件电路设计框图如图2.1所示。

2.1数字电压表系统硬件设计框图

方案二：

用ICL713与单片机AT89C52构成电压表系统。

ICL713的串行方式在实践中应用效果很好。

方框图如图2.2。

图2.2电压表系统框图

2.2方案比较及选择

方案一和方案二在实际应用各有各地特点。

但方案一应用方便，原理易懂，结构简单，器件易购买;

方案二中用到ICL713，但不太熟悉。

所以选择方案一。

3硬件电路设计

3.1AD转换电路

电路图如图3-1所示。

在选择输入端时，是将A、B、C赋值为低电平，选择IN0作为输入端。

图3—1AD转换原理图

3.2复位电路

单片机在启动运行时都需要复位，使CPU和系统中的其他部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。

MCS-51单片机有一个复位引脚RST,采用施密特触发输入。

当震荡器起振后，只要该引脚上出现2个机器周期以上的高电平即可确保时器件复位[1]。

复位完成后，如果RST端继续保持高电平，MCS-51就一直处于复位状态，只要RST恢复低电平后，单片机才能进入其他工作状态。

单片机的复位方式有上电自动复位和手动复位两种，图3-2是51系列单片机统常用的上电复位和手动复位组合电路，只要Vcc上升时间不超过1ms，它们都能很好的工作。

图3-2复位电路

3.3时钟电路

单片机中CPU每执行一条指令，都必须在统一的时钟脉冲的控制下严格按时间节拍进行，而这个时钟脉冲是单片机控制中的时序电路发出的。

CPU执行一条指令的各个微操作所对应时间顺序称为单片机的时序。

MCS-51单片机芯片内部有一个高增益反相放大器，用于构成震荡器，XTAL1为该放大器的输入端，XTAL2为该放大器输出端，但形成时钟电路还需附加其他电路。

本设计系统采用内部时钟方式，利用单片机内部的高增益反相放大器，外部电路简，只需要一个晶振和2个电容即可，如图3-3所示。

图3-3时钟电路原理图

电路中的器件选择可以通过计算和实验确定，也可以参考一些典型电路的参数，电路中，电容器C1和C2对震荡频率有微调作用，通常的取值范围是30±

10pF，在这个系统中选择了33pF；

石英晶振选择范围最高可选24MHz，它决定了单片机电路产生的时钟信号震荡频率，在本系统中选择的是12MHz，因而时钟信号的震荡频率为12MHz。

3.4显示电路

显示电路是显示测量输入电压的数字。

如图3-4所示。

图3-4显示电路原理图

3.5特殊器件介绍

3.5.1主控芯片AT89S51

单片机AT89S51功能介绍

AT89S51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。

该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89S51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案，AT89S51芯片引脚图如图3-5所示。

图3-5AT89S51芯片引脚图

3.5.2ADC0808

ADC0808是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器，带有使能控制端，与微机直接接口，片内带有锁存功能的8路模拟多路开关，可以对8路0-5V输入模拟电压信号分时进行转换，由于ADC0808设计时考虑到若干种模/数变换技术的长处，所以该芯片非常适应于过程控制，微控制器输入通道的接口电路，智能仪器和机床控制等领域[5]。

ADC0808主要特性:

8路8位A/D转换器，即分辨率8位；

具有锁存控制的8路模拟开关；

易与各种微控制器接口；

可锁存三态输出，输出与TTL兼容；

转换时间：

128μs；

转换精度：

0.2%；

单个+5V电源供电；

模拟输入电压范围0-+5V，无需外部零点和满度调整；

低功耗，约15mW。

ADC0808芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，其引脚图如图3-6所示。

图3-6ADC0808引脚图

下面说明各个引脚功能:

IN0-IN7（8条）：

8路模拟量输入线，用于输入和控制被转换的模拟电压。

地址输入控制（4条）：

ALE:

地址锁存允许输入线，高电平有效，当ALE为高电平时，为地址输入线，用于选择IN0-IN7上那一条模拟电压送给比较器进行A/D转换。

ADDA,ADDB,ADDC:

3位地址输入线，用于选择8路模拟输入中的一路，其对应关系如表3-1所示：

表3-1ADC0808通道选择表

地址码

对应的输入通道

C

B

A

0

1

IN0

IN1

IN2

IN3

IN4

IN5

IN6

IN7

START：

START为“启动脉冲”输入法，该线上正脉冲由CPU送来，宽度应大于100ns，上升沿清零SAR,下降沿启动ADC工作。

EOC:

EOC为转换结束输出线，该线上高电平表示A/D转换已结束，数字量已锁入三态输出锁存器。

D1-D8：

数字量输出端，D1为高位。

OE：

OE为输出允许端，高电平能使D1-D8引脚上输出转换后的数字量。

REF+、REF-:

参考电压输入量，给电阻阶梯网络供给标准电压。

Vcc、GND:

Vcc为主电源输入端，GND为接地端，一般REF+与Vcc连接在一起，REF与GND连接在一起.

CLK:

时钟输入端。

3.5.3LED

LED是发光二极管显示器的缩写。

LED由于结构简单、价格便宜、与单片机接口方便等优点而得到广泛应用。

LED显示器是由若干个发光二极管组成显示字段的显示器件[6]。

在单片机中使用最多的是七段数码显示器。

LED七段数码显示器由8个发光二极管组成显示字段，其中7个长条形的发光二极管排列成“日”字形，另一个圆点形的发光二极管在显示器的右下角作为显示小数点用，其通过不同的组合可用来显示各种数字。

LED引脚排列如下图3-7所示:

图3-7LED引脚排列

在应用系统中，设计要求不同，使用的LED显示器的位数也不同，因此就生产了位数，尺寸，型号不同的LED显示器供选择，在本设计中，选择8位一体的数码型LED显示器，简称“8-LED”。

如图3-8所示。

图3-8LED显示器

4软件部分设计

根据模块的划分原则，将该程序划分初始化模块，A/D转换子程序和显示子程序，这三个程序模块构成了整个系统软件的主程序，如图4-1所示。

图4-1数字式直流电压表主程序框图

4.1A/D转换子程序

A/D转换子程序用来控制对输入的模块电压信号的采集测量，并将对应的数值存入相应的内存单元，其转换流程图如图4-2所示。

图4-2A/D转换流程图

4.2显示子程序

显示子程序采用动态扫描实现八位数码管的数值显示，在采用动态扫描显示方式时，要使得LED显示的比较均匀，又有足够的亮度，需要设置适当的扫描频率，当扫描频率在70HZ左右时，能够产生比较好的显示效果，一般可以采用间隔10ms对LED进行动态扫描一次，每一位LED的显示时间为1ms。

在本设计中，为了简化硬件设计，主要采用软件定时的方式，即用定时器0溢出中断功能实现11μs定时，通过软件延时程序来实现5ms的延时。

5电路仿真

5.1软件调试

软件调试的主要任务是排查错误，错误主要包括逻辑和功能错误，这些错误有些是显性的，而有些是隐形的，可以通过仿真开发系统发现逐步改正。

Proteus软件可以对基于微控制器的设计连同所有的周围电子器件一起仿真，用户甚至可以实时采用诸如LED/LCD、键盘、RS232终端等动态外设模型来对设计进行交互仿真。

Proteus支持的微处理芯片包括8051系列、AVR系列、PIC系列、HC11系列及Z80等等。

Proteus可以完成单片机系统原理图电路绘制、PCB设计，更为显著点的特点是可以与uVisions3IDE工具软件结合进行编程仿真调试[8]。

本系统的调试主要以软件为主，其中，系统电路图的绘制和仿真我采用的是Proteus软件，而程序方面，采用的是汇编语言，用Keil软件将程序写入单片机。

5.2显示结果及误差分析

1.当IN0口输入电压值为0V时，显示结果如图5-1所示，测量误差为0V。

图5-1输入电压为0V时，LED的显示结果

2.当IN0输入电压值为1.50V时，显示结果如图5-2所示。

测量误差为0.01V。

图5-2输入电压为1.50V时，LED的显示结果

3.当IN0口输入电压值为3.50V时，显示结果如图5-3。

图5-3输入电压为3.50V时，LED的显示结果

通过以上仿真测量结果可得到简易数字电压表与“标准”数字电压表对比测试表，如下表5-1所示：

表5-1简易数字电压表与“标准”数字电压表对比测试表

标准电压值/V

简易电压表测量值/V

绝对误差/V

0.00

0.50

0.51

0.01

1.00

1.50

1.51

2.00

2.50

3.00